砷、铅、镉低积累玉米品种筛选研究

［KH－*D］杜彩艳，张乃明，雷宝坤，陈安强，毛妍婷，胡万里，付斌，袁正湘，陈军*

(1．云南省农业科学院农业环境资源研究所，云南昆明650205;2．云南农业大学植保学院，云南昆明650201;3．云南农业大学资源与环境学院，云南昆明650201;4．云南省文山市农产品质量检测中心，云南文山663000)

砷、铅、镉低积累玉米品种筛选研究

［KH－*3D］杜彩艳1，2，张乃明3，雷宝坤1，陈安强1，毛妍婷1，胡万里1，付斌1，袁正湘4*，陈军1*

(1．云南省农业科学院农业环境资源研究所，云南昆明650205;2．云南农业大学植保学院，云南昆明650201;3．云南农业大学资源与环境学院，云南昆明650201;4．云南省文山市农产品质量检测中心，云南文山663000)

以8个玉米(Zea mays)品种(云瑞88、云瑞6号、云瑞518、云瑞220、云瑞10号、红单6号、红单3号、鄂玉10号)为试验材料，采用田间试验，探讨重金属砷－铅－镉(As-Pb-Cd)复合污染土壤条件下，8个玉米品种生物量、产量变化及籽粒As、Pb、Cd含量的差异，并通过聚类分析分别获得玉米籽粒As、Pb、Cd低积累玉米品种。研究结果表明，不同玉米品种在重金属As、Pb、Cd复合污染的条件下，生物量和产量存在显著的差异性;除云瑞518籽粒Cd含量不符合饲料卫生标准(GB 13078-2001)外，其余7个玉米品种籽粒中As、Pb、Cd的含量均符合国家饲料卫生标准;通过聚类分析获得籽粒As低积累的品种2个，Pb低积累的品种1个，Cd低积累的品种3个;综合分析，最终筛选出云瑞88、云瑞220、云瑞6号、云瑞10号作为As、Pb、Cd低积累的品种。

玉米;重金属;低积累;筛选

随着工农业的飞速发展，土壤重金属污染日趋严重，农作物的生长发育、营养品质和产量等均不同程度的受到影响［1］。随着作物的生长土壤重金属不断被吸收并通过食物链途径进入人体，从而直接影响人类的生命健康［2－5］。云南个旧是以生产锡为主并产铅、锌、铜等多种有色金属的冶金工业城市，是中外闻名的“锡都”。矿业活动频繁，在矿区繁荣发展的同时，已经严重破坏了个旧及周边地区的生态环境［6］，致使矿区周边农田土壤受到不同程度的重金属污染，严重影响当地农产品品质。因此，如何有效减少重金属在这一区域农作物中的积累和富集，从而保障农业安全生产已成为目前环境科学领域的研究热点之一。

目前，对于控制重金属向食物链中转移主要从两方面着手，一是通过化学固定改变重金属在土壤中的赋存形态，从而有效降低重金属在土壤中的活性使其钝化［7］;另一种是通过筛选出对于重金属抗性强、积累量低的农作物品种进行种植［8］。大量研究证实，不同基因型作物对重金属的吸收、积累水平差异较大，甚至同一种作物的不同品种间重金属吸收、积累能力也可能有较大差异［9－11］。利用这些特点，筛选供食用器官重金属富集能力较弱(重金属含量不超过国家饲料卫生标准)但生长和产量不受影响的农作物种类或品种，并在中、轻度重金属污染土壤中种植，可以达到农田重金属污染的治理目标，同时抑制其进入食物链，有效降低农产品的重金属污染风险［12］。玉米是云南省的主要粮食作物，也是重要的饲料和工业原料，在部分贫困的山区还是老百姓的主食［13］。研究表明，玉米是一种能同时富集多种重金属的植物，在土壤重金属修复治理中具有巨大的潜力。陈燕等［14］研究显示玉米能同时富集多种重金属元素，且地上部重金属的富集量大于根部，玉米是对Ni、Pb、Zn污染的土壤进行修复较有潜力的植物。玉米是较好的耐性植物，在受重金属严重污染的土壤上能正常生长，具有较强的耐性［15］。因此，筛选重金属低积累、高产量和高质量的玉米品种不仅具有重要意义，而且也是在中、轻度重金属污染土壤上持续安全生产的一条现实可行的途径。

然而以往重金属低积累玉米品种筛选研究主要关注的是重金属Cd、Pb［16］，而对于其他重金属尤其是As的低积累玉米品种鲜见报道。为此，本研究以8个玉米品种为试验材料，采用田间试验，探讨云南个旧市重金属As、Pb、Cd复合污染土壤条件下，不同玉米品种生物量、产量变化及籽粒As、Pb、Cd含量的差异，旨在筛选出对重金属低积累玉米品种并在矿区推广种植，为矿区重金属污染玉米恢复生产以及低积累玉米品种的选育等提供更加准确的理论指导与依据。

1 材料与方法

1．1 试验地点

试验地位于个旧市鸡街镇石榴坝村污染农田(103°9'40．89″E，23°32'26．57″N，海拔1145 m)。属亚热带气候类型区，年平均气温19．39℃，平均降水量637．00 mm。在试验田中按“梅花型”布设5个采样点，采集0～20 cm耕层土壤，混合均匀。土壤带回实验室后，自然风干，去除杂物，压碎后分别过20、60、100目筛备用。其土壤基本理化性状表1。根据国家《土壤环境质量标准》(GB15618-1995)，研究区域土壤执行二级标准，土壤在pH值为6．5～7．5时重金属的限量值As 30 mg/kg，Pb 300 mg/kg，Cd 0．3 mg/kg。由表1知，研究区域土壤中3种重金属含量均超出GB 15618-1995二级标准，As超2．89倍，Pb超1．15倍，Cd超1．43倍。

1．2 供试材料

供试玉米品种8个，分别为云瑞88(2013年筛选出的低积累玉米品种)、云瑞6号、云瑞518、云瑞220、云瑞10号、红单6号、红单3号、鄂玉10号。其中，云瑞系列品种为云南省农科院选育的玉米新品种(品系)，红单系列为红河州农科所选育的玉米新品种(品系)，鄂玉10号为外引玉米品种。其中，云瑞系列玉米购自云南省农科院粮食作物研究所，红单系列和鄂玉10号购自云南省个旧市种子市场。

1．3 试验设计

试验设8个玉米品种，于2014年5月17日点播，5月28日间苗，9月11日一次性收获。每个玉米品种小区面积为10．0 m×3．2 m，每个品种均设3次重复，随机区组排列，每个小区四周均设置2行玉米(同每个小区之中的玉米品种)作为保护行，以消除边际效应和防止不同玉米品种间交叉授粉。种植密度和田间管理参照当地农业生产的实际情况进行。

供试肥料为“肥力番”复合肥(15-15-15)，总养分≥45%，尿素46．4%，其中复合肥做底肥施用，施用量600 kg/hm2，尿素作追肥施用，施用量300 kg/hm2。出苗前化学封闭除草，及时定苗。

1．4 样品采集与处理方法

1．4．1 植物样品2014年9月玉米成熟期，每小区随机采集5株玉米植株，先用自来水小心洗净根系泥土，然后用超纯水清洗整个植株，用吸水纸吸干表面水分，将植株地下部、地上部和玉米籽粒分离，分地上部、地下部称鲜重后，样品在105℃杀青30 min，80℃烘至恒重，分别称量玉米地上部分和地下部的干重，测定其生物量;玉米籽粒烘干至恒重后，使用非金属器械粉碎，过100目尼龙筛，用塑料封口袋保存待测测定其重金属As、Pb和Cd含量。

表1 供试土壤基本理化性状Table 1Physical and chemical properties of the experimental soil

玉米籽粒样品中Cd、Pb用干灰化法消解(GB/ T5009．15-2003［17］、GB/T 5009．12-2003［18］)，无机As用水浴锅消煮(GB/T 5009．11-2003)［19］，待测液中Cd、Pb含量用原子吸收光度计(Hitachi Z-2000)测定，As含量用原子荧光光度计(海光，AFS-2202E)测定。同时加入标准物质(GBW07605国家标准物质中心)对整个消化过程和分析测试过程进行质量控制。

1．4．2 产量测算玉米成熟期，在每个小区内，取具有代表性的10株玉米，将果穗取下立即称重，放入网袋中带回实验室进行考种分别计算穗粒数、千粒重、出籽率、含水量等。剩下玉米秸秆全部粉碎立即称重，混合均匀后按四分法称取200 g小样，带回实验室于105℃杀青30 min，80℃烘至恒重计算生物产量，在测产小区内将剩余的果穗全部摘下称总重，最后测算实际产量。

1．5 数据处理

利用Microsoft Excel 2010据整理并作图，DPS v7．05统计软件进行方差分析、相关性分析及聚类分析，并利用新复极差法(Duncan法)进行差异显著性检验(P＜0．05)。

2 结果与分析

2．1 不同玉米品种生物量及产量的差异性

由表2可以看出，不同玉米品种的生物量和产量差异显著(P＜0．05)。8个供试玉米品种中云瑞88(CK)的生物量(地上部质量和地下部质量)最高，其次是云瑞6号，鄂玉10号的生物量最低;其中，云瑞88的地上部质量、地下部质量和籽粒质量最高，分别是鄂玉10号的1．03、1．09和1．29倍。另外，云瑞88和云瑞6号两者之间生物量差异不明显，与其他玉米品种之间均达显著差异水平(P＜0．05)。

就玉米产量而言，8个玉米品种的产量为6848．37～9076．67 kg/hm2，其中产量最高的品种是云瑞88(CK)，为9076．67 kg/hm2，其余品种的产量均低于对照，降幅达1．9%～24．44%，其中降幅最大的品种是鄂玉10号，其次是红单3号和红单6号，分别较CK降低1469．67、1513．9和2228．3 kg/hm2，降幅分别为24．55%、16．98和16．19%。8个玉米品种产量按递减顺序为云瑞88＞云瑞518＞云瑞6号＞云瑞10号＞云瑞220＞红单6号＞红单3号＞鄂玉10号。云瑞88(CK)产量和其余7个玉米品种间产量均达显著差异水平(P＜0．05)，云瑞6号、云瑞518和云瑞10号间差异不明显，其余各品种间产量均达显著差异水平。

2．2 不同玉米品种籽粒As、Pb、Cd含量差异

8个参试玉米品种籽粒中重金属As、Pb、Cd含量见表3，供试玉米品种籽粒中的As含量为0．0273～0．5584 mg/kg，最低值与最高值相差近20．5倍，其中As积累量最低的为云瑞88，积累量最高的为红单3号。供试的玉米籽粒中Pb含量为0．6049～1．5591 mg/kg，其中Pb积累量最低的为‘云瑞88’，积累量最高的为‘鄂玉10号’，两者的差值接近3倍。所有参试玉米品种籽粒中Cd含量为0．1282～0．3801 mg/kg，其中对于Cd积累量最低的品种为云瑞220，积累量最高的品种为云瑞518。

表2 不同玉米品种生物量和产量差异性Table 2The differences in biomass and yield of different varieties of maize

表3 不同玉米品种籽粒中各重金属含量及限量标准Table 3Heavy mental content and its contamination limit standard in grain of different maize varieties

由于试验区种植的玉米100%都作动物饲料，所以本研究使用了国家饲料卫生标准为对比标准。从表4看出，8个参试玉米品种，与国家饲料卫生标准《GB 13078-2001》比较可知，除了云瑞518籽粒中重金属Cd含量为0．6338 mg/kg，不符合国家饲料卫生标准外，其他7个参试玉米品种籽粒中As、Pb、Cd含量都很低，均符合国家饲料卫生标准。

8个参试玉米品种中As、Pb和Cd含量的变异系数分别为101．69%、32．80%和64．89%，说明不同玉米品种吸收积累重金属As、Pb和Cd有显著差异。

由于中国存在大量中、轻度重金属污染的农田，为了获得适合于未知重金属污染农田的安全可食用品种，降低籽粒重金属超标的风险，因此对上述8个玉米品种进行进一步筛选，以获得更优的重金属低积累玉米品种。利用DPS软件对8个品种的As、Pb、Cd 3种重金属元素分别进行聚类分析。

图1 不同玉米品种中籽粒As含量聚类分析Fig．1The hierarchical clustering analysis diagram of As concentrations in grain of different varieties of maize

2．3 重金属低积累品种的筛选

2．3．1 籽粒中As低积累品种的筛选由图1可知，8个参试玉米品种可以分为4类。第1类:云瑞88、红单6号;第2类:云瑞6号、云瑞220和云瑞10号;第3类:云瑞518、鄂玉10号;第4类:红单3号。其中，第1类云瑞88和红单6号为籽粒As含量最低的一类;第4类:云瑞518和鄂玉10号为籽粒As含量最高的一类;其他2类代表籽粒As含量处于中等水平。为了降低食物链As的积累，选择云瑞88和红单6号作物籽粒低积累As的优势品种。

2．3．2 籽粒中Pb低积累品种的筛选从图2可知，8个参试玉米品种可以分为4类，其中，云瑞88为籽粒Pb含量最低的一类;云瑞518和鄂玉10号为籽粒Pb含量最高的一类;其他2类代表籽粒Pb含量处于中等水平。为了降低食物链Pb的积累，选择云瑞88作为籽粒低积累Pb的优势品种。

图2 不同玉米品种中籽粒Pb含量聚类分析Fig．2The hierarchical clustering analysis diagram of Pb concentrations in grain of different varieties of maize

2．3．3 籽粒中Cd低积累品种的筛选从图3可知，8个玉米品种可以分为4类，其中云瑞6号、云瑞220、云瑞10号为籽粒Cd含量最低的一类;云瑞518为籽粒Cd含量最高的一类。其他2类代表籽粒Cd含量处于中等水平。为了降低食物链Cd的积累，选择云瑞6号、云瑞220、云瑞10号作为籽粒低积累Cd的优势品种。

图3 不同玉米品种中籽粒Cd含量聚类分析Fig．3The hierarchical clustering analysis diagram of Cd concentrations in grain of different varieties of maize

2．3．4 低积累玉米品种汇总将以上筛选出的玉米籽粒对单一重金属低积累品种汇总得到以下结果，见表4所示。

表4 玉米籽粒单一重金属低积累的品种Table 4Maize grain of single low accumulation of heavy metals

然而，在对重金属低积累农作物品种进行筛选的过程中，除了考虑低累农作物品种体内重金属的含量外，还得综合考虑农作物的生长和产量是否也受到了影响，这样才能达到充分利用重金属污染农田的目的。本试验条件下，结合8个玉米品种生物量和产量(表2)和玉米籽粒单一重金属低积累品种汇总(表4)综合分析可知，尽管红单6号作为玉米籽粒AS重金属低积累品种之一，但是，因为红单6号的生物量和产量比CK分别下降2．86%和16．19 %，尤其产量之间降幅达到了显著差异(P＜0．05)。因此，综合分析最后筛选出云瑞88、云瑞220、云瑞6号和云瑞10号作为玉米籽粒低积累As、Pb和Cd的品种。

3 讨论

中国有大面积受重金属污染的农田，在这些农田上收获的农作物，其可食用部分重金属含量往往都超过国家粮食卫生标准的几倍甚至几十倍。通过筛选低积累重金属的作物品种来减少食物链重金属富集被证明是经济、可行的［14，20－22］。吴传星等［23］、郭晓芳等［9］对不同玉米品种的重金属积累和转运的品种差异性进行了研究，采用聚类分析对玉米籽粒重金属含量进行了分析，筛选出玉米籽粒含量未超出国家规定的食品卫生标准的低积累玉米品种。然而，迄今为止对重金属低积累作物还无明确的定义，多数研究者筛选低积累作物品种的标准以供食用器官重金属含量不超过国家食品(饲料)卫生有关标准，而对在重金属胁迫下作物生长及产量变化的研究相对较少。刘维涛等［10］认为理想的重金属低积累作物应该同时具备以下特征:该植物的地上部和地下部重金属含量均很低或者其可食部位重金属含量低于国家相关标准;该植物对重金属的积累量小于土壤中该重金属的浓度(即富集系数＜1);该植物从其他部位向可食部位转运重金属能力较差(即转运系数＜1);该植物对重金属毒害具有较高的耐受性，在较高浓度重金属污染下能够正常生长，且生物量无明显下降。重金属胁迫可导致玉米生理代谢紊乱，使其正常生长受到抑制，因此，玉米的株高、叶面积、生物量及产量的变化均可作为玉米对重金属耐性指标。

本试验研究了8个玉米品种在As-Pb-Cd复合污染的条件下，对8个玉米品种生物量、产量的影响及不同品种籽粒As、Pb、Cd含量的差异，结果表明，8个玉米品种的生物量和产量均存在显著的差异性(P＜0．05)。As-Pb-Cd复合污染的条件下，云瑞88、云瑞6号、云瑞518和云瑞10号的地上部质量、地下部质量和籽粒质量相对较高，鄂玉10号最低，其中云瑞88的地上部质量、地下部质量和籽粒质量最高，分别是鄂玉10号的1．03、1．09和1．29倍;在As-Pb-Cd复合污染胁迫下，8个玉米品种产量按递减顺序为:云瑞88＞云瑞518＞云瑞6号＞云瑞10号＞云瑞220＞红单6号＞红单3号＞鄂玉10号。新复极差分析结果表明，云瑞88(CK)产量和其余7个玉米品种间产量均达显著差异水平(P＜0．05)，云瑞6号、云瑞518和云瑞10号间差异不明显，其余各品种间产量均达显著差异水平。

本研究结果还表明，As-Pb-Cd复合污染的条件下，8个参试玉米品种中，除了云瑞518籽粒中重金属Cd含量为0．6338 mg/kg，不符合国家饲料卫生标准《饲料卫生标准GB 13078-2001》外，其他7个参试玉米品种籽粒中As、Pb、Cd含量都很低，均符合国家饲料卫生标准。该研究使用的对比标准为饲料卫生标准而非国家食品卫生标准，原因是试验区种植的玉米100%都作动物饲料。通过对8个玉米品种籽粒As、Pb、Cd含量聚类分析，筛选出云瑞88、云瑞220、云瑞6号、云瑞10号和红单6号5个玉米品种作为籽粒重金属低积累的品种。然而，笔者认为，在进行重金属低积累作物筛选过程中，除了考虑作物供食用部分的重金属含量外，还得综合考虑作物的生物量、产量。本研究综合分析8个玉米品种生物量、产量及各玉米品种籽粒As、Pb、Cd含量，最后筛选出云瑞88、云瑞220、云瑞6号和云瑞10号作为玉米As、Pb、Cd低积累品种。

本试验条件下所筛选出的玉米籽粒重金属As、Pb、Cd低积累的品种云瑞88、云瑞220、云瑞6号和云瑞10号，有关他们种植在不同条件的土壤上，这种低积累性状是否能重复出现，对于不同的土壤环境作物是否有较好的适应性，有待进一步研究验证。

4 结论

(1)不同玉米品种在重金属As-Pb-Cd复合污染的条件下，生物量和产量均存在显著的差异性(P＜0．05)。8个玉米品种产量按递减顺序为:云瑞88＞云瑞518＞云瑞6号＞云瑞10号＞云瑞220＞红单6号＞红单3号＞鄂玉10号。

(2)本试验条件下，除了云瑞518籽粒Cd含量不符合饲料卫生标准外，其余7个玉米品种籽粒中As、Pb、Cd的含量都很低，均符合国家饲料卫生标准。

(3)不同玉米品种对不同重金属的吸收积累能力存在较大差异，说明通过筛选和品种选育减少籽粒重金属含量是可行的。

(4)通过聚类分析获得籽粒As低积累的1个基因型;Pb低积累的1个基因型;Cd低积累的3个基因型。

(5)综合分析，最终筛选出云瑞88、云瑞220、云瑞6号和云瑞10号作为籽粒As、Pb、Cd低积累的品种。

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(责任编辑 王家银)

Selection of Varieties of Zea mays with Low Accumulation of Heavy Metals of Arsenic，Lead and Cadmium

DU Cai-yan1，2，ZHANG Nai-ming3，LEI Bao-kun1，CHEN An-qiang1，MAO Yan-ting1，HU Wan-li1，FU Bin1，YUAN Zheng-xiang4*，CHEN Jun1*
(1．Institute of agricultural Resources＆Environment，Yunnan Academy of Agricultural Sciences，Yunnan Kunming 650205，China;2．Plant Protection College，Yunnan Agricultural University，Yunnan Kunming 650201，China;3．College of Resource and Environment，Yunnan Agricultural University，Yunnan Kunming 650201，China;4．Wenshan Testing center of Quality and Safety of Agro-Products，Yunnan Wenshan 663000，China)

Using 8 maize varieties(Yunrui88，Yunrui6，Yunrui518，Yunrui220，Yunrui10，Hongdan6，Hongdan3，Eyu10)as research materials to figure out their differences in the heavy metal contaminated soil of Arsenic-Lead-Cadmium(As-Pb-Cd)．A field experiment was conducted to investigate changes of shoot and root biomass，yield and the content differences of As，Pb and Cd from eight maize varieties．By using cluster analysis to gain low accumulation of varieties from As，Pb and Cd Maize varieties，it could provide evidence and theoretical foundations for cultivation as well as filter and define maize varieties that accumulate the lowest As，Pb and Cd．Results．They showed that the biomass and yield indicated significant differences where soil had been contaminated by heavy As，Pb and Cd．Except of Yunrui518，other maizes grain had passed the national standard of feed hygiene(GB 13078-2001)and those content of Heavy metal were far lower．Cluster analysis of Maize grain showed that 2 cultivars were found accumulating the lowest As，1variety were found accumulating the lowest Pb，3varieties were found accumulating the lowest Cd．Comprehensive analysis of grain and yields showed that Yunrui88，Yunrui220，Yunrui6 and Yunrui 10 with low cumulative of As，Pb and Cd were good for selection．

Zea mays L．;Heavy metals;Low accumulation;Screening

S513

A

1001－4829(2017)1－0005－06

10．16213/j．cnki．scjas．2017．1．002

2015－03－19

农业公益性行业科研专项(201303089-003);国家科技支撑计划(2012BAD40B02)

杜彩艳(1977－)，女，藏族，副研究员，博士生，主要从事植物营养和环境生态方面研究，E-mail:caiyandu@126．com，*为通讯作者，E-mail:565642143@qq．com;384375225@ qq．com。